Dimensionado de cargadores para baterías de tracción abiertas (PzS) y cerradas (PzV)
Hoy en día el rango de baterías de tracción es muy diverso. Muchas de las baterías de tracción se han diseñado para aplicaciones especiales y constituye un sistema propio junto con el cargador. El correcto dimensionado de los cargadores de baterías es importante por varias razones. El tiempo de carga y el diseño específico de la batería determina básicamente el tamaño y el tipo de cargador, es decir el régimen de carga.Para un diseño básico de las baterías se han de seguir las siguientes características:
- Baterías abiertas (electrolito líquido)
- Baterías abiertas con accesorios (sistemas de relleno automático, sistema de aire)
- Baterías cerradas (electrolito de Gel, AGM)
Las aplicaciones se pueden diferenciar de la siguiente forma:
- Aplicaciones con varios turnos: uno, dos, tres
- Aplicaciones suaves
- Aplicaciones con régimen de trabajo duro
- Operaciones con cargas intermedias
En DIN 41772 se describen las características de los cargadores. A continuación se describen las características de carga:
- Características de carga (corriente decreciente): "Taper Charger": W
- Características de voltaje constante: U
- Características de intensidad constante: I
- Regimenes de carga con cambio automático entre uno y otro: 0
- Paro automático ("shut off"): a
Características W ("taper"):
W, Wa, W0Wa, Wu, WUWa
Características U:
U
Características I:
I, Ia, I0Ia, IUW, IUIa
Cargadores con estas características han de respetar unas tolerancias definidas tanto para corriente como para voltajes.
Para cargadores con caracteristicas I, de acuerdo con DIN 41773: +/-2% para valores de corriente, +/-1% para el voltaje.
Para características W de acuerdo con DIN 41774: +/-0,05 Vpc
Figura1. Corriente de carga. Relación entre el voltaje en una curva de característica W ("taper") con el rango de tolerancia de +/-0,05 Vpc y el efecto de fluctuaciones del voltaje de entrada del 5%.
Las siguientes gráficas nos muestran ejemplos de las diferentes relaciones del voltaje U y de la corriente I. Todos los valores están referidos a una temperatura nominal de batería de 30ºC y una profundidad de descarga del 80%. El valor final de carga es de 2,65 Vpc correspondiente al valor de referencia DIN. En aplicaciones reales este valor puede ser mayor o menor según diferentes tecnologías de la batería.
1.Características Wa (simple pendiente) ("taper")
2. Características W0Wa (doble pendiente) para baterías abiertas ("taper")
3. Características IUIa para baterías abiertas
4. Características IuIa para baterías cerradas
Para la asignación de la batería al cargador se ha de seguir el siguiente criterio:
- Batería (voltaje nominal y capacidad nominal)
- Tecnología de la batería: PzS, PzV
- Accesorios en la batería: sistemas de relleno automático, sistema de aire
- Tiempos muertos en el uso de la batería
- Tiempo de carga
- Cargas intermedias
- carga de ecualización o igualación
Estos factores determinan:
- Tipo de cargador, curva de carga
- Voltaje nominal del cargador
- Accesorios en el cargador
El dimensionado del cargador de la batería ha de ser realizado de acuerdo con los requerimientos del fabricante de la batería. Una elección no adecuada que no se adapte a la corriente de carga y al régimen adecuado puede ocasionar los siguientes efectos:
- Tiempos de carga no adecuados
- Temperatura de la batería elevada
- Excesivo gaseo
- Mayor consumo de agua
- Incremento de la corrosión
- Desprendimiento de materia activa de la placa positiva
- Carga incompleta
- Sobrecarga
Los efectos negativos anteriores influyen en la vida útil de las baterías de tracción
En las siguientes gráficas tenemos los tiempos de carga de los regímenes de carga, el factor de carga y el diseño de la batería. Los diferentes parámetros se muestran según diferentes profundidades de descarga (DOD) y las corrientes de carga nominal.
Tiempos de carga en horas con curva Wa para baterías tipo Pzs a 30ºC
Tiempos de carga en horas con curva W0Wa para baterías PzS a 30ºC
Tiempos de carga en horas para curva IuIa para baterías PzS a 30ºC
Dimensionado del cargador para baterías abiertas tipo PzS
En comparación, la característica de carga Wa con respecto a la WoWa y IUIa, permite una corriente nominal mayor hasta alcanzar el voltaje de gaseo de 2,4 Vpc (30ºC).
El factor de carga FC es el ratio entre lo cargado y los amperios hora descargados. En el caso de un cargador estándar un factor de 1.2, por ejemplo, se cargan 480 Ah en una batería de 500 Ah que se ha descargado al 80%.
Cálculo: 80% de 500 Ah = 400 Ah x 1,2 = 480 Ah
Baterías que dispongan del sistema Trak air de Hoppecke, únicamente necesitan un factor de carga de 1,07. Los cargadores mas sofisticados (tipo los Trak Power by Hoppecke) automáticamente ajustan la carga al factor de carga correcto, el tiempo de carga final se adapta a la profundidad de descarga de la batería.
Ejemplo de cálculo:
Para una curva Wa y baterías del tipo PzS sin Trak air y un factor de carga de 1,20, la corriente nominal del cargador se calcula: El tiempo de carga no debe sobrepasar las 12h. la batería tiene una capacidad nominal de 800 Ah y la profundidad de descarga es del 80%. Mediante la gráfica correspondiente la corriente de carga nominal es de 14 A/100Ah. Por lo tanto la corriente nominal del cargador es de 8x14A = 112 A.
Dimensionado del cargador para baterías cerradas del tipo PzV
Para baterías cerradas de tracción con el electrolito del tipo Gel solo se pueden usar cargadores regulados con curva IUIa como se muestra en la siguiente gráfica.
Tiempos de carga en horas con curva IUIa para baterías PzV a 30ºC
El tiempo de la última fase de carga se ha de ajustar de acuerdo con el tiempo de carga principal. El factor de carga no está permitido su uso por una combinación de efectos. Para el cálculo del consumo de energía se puede usar un factor de carga de 1,10.
Para baterías de tracción cerradas una óptima vida de la batería se puede conseguir con una profundidad de descarga del 60%. Descargas del 80% son posibles y se pueden conseguir con respecto a la aplicación y según el tamaño de la batería pero siempre siguiendo los consejos del fabricante.
Cargadores con curva Wsa
Para ciertos tipo de baterías del tipo PzS, voltajes de final de carga mas altos se pueden encontrar debido a una mayor densidad nominal y bajo contenido de antimonio en las placas. A consecuencia de este hecho los tiempos de carga son más largos. Estas baterías pueden cargarse con una curva mas pronunciada "steeper charge", por ejemplo, corrientes de carga mayores en la etapa de gaseo. Debido a la forma de construcción del transformador, la curva de carga es mas pronunciada con la ventaja que la corriente de carga se ve menos afectada por fluctuaciones en la corriente de entrada. Normalmente la dependencia de la corriente de carga con respecto a las fluctuaciones de la corriente de entrada en los 2,40 Vpc se reduce en un 20% y en el punto de 2,65 Vpc en un 30%. Con un incremento de la corriente de carga y una curva de carga pronunciada ("steeper") estas baterías se pueden cargar entre las 8h a 14h a 30ºC dependiendo del ajuste de la corriente de carga con respecto al ratio de la capacidad nominal, cuando la batería se descarga a un 80% de DOD. El factor de carga de 1,17 no debe de tener una tolerancia mayor del +/-0,02. Esto se puede conseguir, por ejemplo, Ah, dU/dt o Dl/dt algoritmos de control de carga. Adicionalmente, un corte de seguridad limitado por tiempo ha de existir, en el caso de no alcanzar el voltaje de gaseo de 2,40 Vpc referido a 30ºC, en un tiempo de 8h con la corriente nominal de carga de no mas de 16A/100Ah.
En todos los casos un corte de seguridad es necesario.
Curva de carga Wsa
Tiempos de carga en horas para curva Wsa para baterías PzS a 30ºC
Atención:
Importante es el ajuste del cargador con la batería dependiendo de la aplicación, considerando las siguientes tolerancias:
Factor de carga: +/-0,02
Tiempo de carga: +/-0,5h
Profundidad de descarga: +/-5%
El cargador ha de cumplir la normativa DIN EN 50272-3 y DIN EN 60146 -1 -1 aparte de otros estándares y regulaciones.
Fuente ZVEI Batterien: "Charger assignments for traction batteries in vented (PzS) and in valve regulated (PzV) design"
Apéndice
La siguiente tabla muestra la capacidad del cargador para diferentes tipos de curvas y tiempos de carga.
